CN101271038A

CN101271038A - 齿轮副传动精度测量装置和方法

Info

Publication number: CN101271038A
Application number: CNA2008100988824A
Authority: CN
Inventors: 赵敏; 姚敏; 顾伟
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: CN100545613C

Abstract

本发明涉及一种齿轮副传动精度测量装置和方法，属于齿轮副传动精度测量技术领域。该装置主要包括转角输入部分、转角输出测量部分、计算机数据采集分析处理部分。其中转角输入部分和转角输出测量部分分别包括一角度传感器。该方法包括以下步骤：(a)计算机根据齿轮副的速比控制伺服电机(2)转动的角度和速度，同步采集输入角度传感器(1)与输出角度传感器(15)两个传感器数据；(b)计算机完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作，并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差和偏差趋势。本装置和方法可靠性好、测量速度快、测量精度高、测量范围宽。

Description

齿轮副传动精度测量装置和方法

技术领域

本发明的齿轮副传动精度测量装置和方法，属于齿轮副传动精度测量技术领域。

背景技术

目前使用的齿轮副传动精度测量往往采用人工判读的方法，如将两个码盘分别安装在被测齿轮副的输入轴和输出轴上，校零后，再旋转输入轴，观察输出轴在设定的几个角度上的偏差和回差的大小是否落在规定的范围内，判断产品是否合格。为了提高分辨率，便于观察，还采用摄像头来放大码盘的刻度。这种测量方式利用人工进行判读，精度较低，操作比较复杂，检测一次时间比较长。如“传动装置回差的测量与数据处理”(高建军，冷岩，机电技术，2007.3)一文中所介绍，该方法需要多次测量，亦存在测量繁琐的问题，精度也不能满足需要。

也有单位研究出光学的装置来测量齿轮副的传动误差。这种装置的价格高，测量的范围小。

发明内容

针对目前齿轮副传动精度测量中测量非自动化，效率低，测量精度不高，测量装置成本高等问题。本发明目的在于提供一种可靠性好、测量速度快、测量精度高、测量范围宽、并且实现了自动测量的齿轮副传动精度测量装置。

一种齿轮副传动精度测量装置，其特征在于：

包括转角输入部分、转角输出测量部分、计算机数据采集分析处理部分；

其中转角输入部分包括：同步皮带轮、连接同步皮带轮主动轮的伺服电机、通过输入传感器联轴器连接于同步皮带轮从动轮一端的输入角度传感器，同步皮带轮从动轮的另一端通过输入端传感器同步轮轴与需测量的齿轮副的主动轮相连；

其中转角输出测量部分依次包括：与需测量的齿轮副的从动轮相连的输出端传感器同步轮轴、输出传感器联轴器、输出端角度传感器；

上述齿轮副传动精度测量装置测量齿轮副传动精度的方法，其特征在于：

(a)、计算机根据齿轮副的速比控制伺服电机转动的角度和速度，同步采集输入角度传感器与输出角度传感器两个传感器数据；

(b)、计算机完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作，并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差和偏差趋势。

第(a)步骤中所述两个传感器数据同步采集是可以按如下方式实现的：感器的输出采用串行口发送，为保证串行口得到的两个传感器的数据同步，为每一个串行口设计数据采集处理线程，每一个线程中采用一个同步计数器记录获得的传感器数据并暂存在缓存区中；系统在处理数据时检查两个同步计数器的计数值，如果发现两个同步计数器的计数值不相同，则以最小的计数值读取数据，对多余的数据，剔出偏差过小或者过大的，直至两个数据区缓存区保留相同数据量的数据后将它们移入最终结果数据区。

该装置有如下特点：

1、装夹方便。只要放在平整的工作台上，调整支架螺钉就可以将装置的轴调整到不同高度，调整角度也很方便；

2、测量精度好，分辨率高。角度检测精度可达到30″以内，360°内累积误差＜2′；

3、测量速度快。配上计算机数据采集系统，可以在5分钟内完成正反行程的多角度点齿轮间隙、回差等参数的测量；

4、测量结果丰富，直观。采用直角坐标显示传感器的输入/输出角度，齿轮副的传动误差。也可以采用极坐标显示齿轮副的传动误差；

5、可以实现模数0.5-4之间的各种齿轮副传动精度测量；

6、成本低。平台支架材料加工费不到6000元，传感器的造价取决于所要求的精度，一般每套不到1万元，电机控制系统造价2000元左右；整套精密测量装置成本不到3万元人民币。

附图说明

图1转角输入平台；

图2转角输出测量平台；

图中标号名称：1.输入角度传感器，2.伺服电机，3.同步皮带轮，4.输入平台底板，5.输入平台前支架板，6.动力支架板，7.输入传感器支架板，8.输入传感器同步轮轴，9.轴承-1，10.输入平台支架螺钉和紧固螺栓，11.输入传感器联轴器，12.输入平台三角支撑，13.输入平台水平仪，14.电机屏蔽罩，15.输出角度传感器，16.输出平台底板，17.输出平台前支架板，18.输出传感器支架板，19.输出传感器轴，20.轴承-2，21.输出平台支架螺钉和紧固螺栓，22.输出传感器联轴器，23.输出平台三角支撑，24.输出平台水平仪。

具体实施方式

齿轮副传动精度测量装置由转角输入平台和转角输出测量平台合计算机测试系统三部分组成，其中转角输入平台是由输入角度传感器1、伺服电机2、同步皮带轮3及输入平台前支架板5、动力支架板6和输入平台三角支撑12等组成。转角输出测量平台是由输出角度传感器15及输出平台前支架板17、输出传感器支架板18和输出平台三角支撑23和屏蔽罩等组成。

齿轮副传动精度测量装置采用了高分辨率角度传感器，该传感器采用旋转变压器的工作原理，可以达到相当于19位的绝对编码器测量精度，其性价比远高于编码器测量方式，并且传感器本身没有迟滞误差。

在转角输入平台，“输入角度传感器1”通过“输入传感器支架板7”固定在“输入平台底板4”上，“输入传感器同步轮轴8”将由伺服电机2产生的转角变化输出到齿轮副输入轴上，该轴的另一端，经过“输入传感器联轴器11”和“输出传感器轴19”相连。“输入传感器同步轮轴8”通过两端的轴承固定在“输入平台前支架板5”和“动力支架板6”上。这样的结构可以保证在装夹待测量的齿轮副产品时不会对传感器精密的输出轴带来冲击和扭曲，起到保护传感器的作用，同时又不会对测量精度带来影响。为了实现自动测量、确保输出转角的均匀性，“转角输入平台”上安装了一台400W的2.伺服电机，通过价格低廉的同步皮带轮3，将伺服电机2的输出转角传送到“输入传感器同步轮轴8”上，由该轴将角位移输出。为了防止皮带轮的切向力对“输入传感器同步轮轴8”带来影响，破坏该轴和传感器的同轴性，要求支撑的两个轴承要采用C级的。

为了方便在装夹产品时调整输出转角的“输入传感器同步轮轴8”的高度，采用了三颗支架螺钉，通过调节这三颗支架螺钉可以方便地调整平台的高度和角度，为了方便调整水平，平台上安装了“输入平台水平仪13”。调节完成后可用紧固螺栓将三颗支架螺钉固定牢。

由于伺服电机2有电磁干扰会对传感器的输出带来影响，装置设计了电机屏蔽罩14和“输入传感器屏蔽罩”。屏蔽罩的接缝处要焊接不能有缝隙，这样可以很好的消除伺服电机2工作时对传感器的电磁干扰。

在转角输出测量平台，传感器通过“输出传感器支架板18”固定在“输出平台底板15”上，并用“输出平台三角支撑23”固联；被测齿轮副产品的“输出传感器轴19”通过“输出传感器联轴器22”和“输出传感器轴19”相连，该轴的另一端通过“输出传感器联轴器22”和传感器输出轴相连。被测齿轮副产品的角位移变化通过这个连接送到传感器中被检测出来。该结构的设计可以保证在装夹待测量的齿轮副产品时不会对传感器精密的输出轴带来冲击和扭曲，起到保护传感器的作用，同时也不会对测量精度带来影响。

为了方便在装夹产品时调整输出转角的“输出传感器轴19”的高度，采用了三颗支架螺钉，通过调节这三颗支架螺钉可以方便地调整平台的高度和角度，为了方便调整水平，平台上安装了“输出平台水平仪仪24”。调节完成后可用紧固螺栓将三颗支架螺钉固定牢。

为了消除电磁干扰对传感器的输出带来影响，装置设计了“输出传感器屏蔽罩”。要求屏蔽罩的接缝处要焊接不能有缝隙，这样可以很好的消除伺服电机工作时对传感器的电磁干扰。

本装置所采用的传感器为角位移传感器(图1：1，图2：1)，测量的角度范围应该在0-360°。

本装置所采用的2.伺服电机功率为400W，扭矩3.8NM。要求电机在1r/min-2r/min时仍然能输出均匀的转送；电机的角度控制精确；

输入和输出两套平台(图1所示)底板材料为45#钢；

输入平台前支架板5、输出平台前支架板17、动力支架板6、输入传感器支架板7、输出传感器支架板18、输入平台三角支撑12、输出平台三角支撑23均采用铝合金；

同步皮带轮3模数为5左右，减速方式，也可以采用齿轮传递角位移；

输入平台支架螺钉和紧固螺栓10、输出平台支架螺钉和紧固螺栓21采用45#钢，采用M10细牙罗纹；

输入传感器同步轮轴8、输出传感器轴19采用不锈钢17-4PH，淬火处理加强硬度。这两个轴的同轴度要高，滚动一圈，径向跳动＜0.02mm。

各支架板可以通过螺钉固定在底板上，再通过三角支撑保持各支架板和底板呈直角。

齿轮副传动精度自动测量的完成由上位计算机实现。上位计算机对测量过程进行控制。首先根据齿轮副的速比控制伺服电机转动的角度和速度，同步采集输入/输出两个传感器数据，并完成传感器数据的去尖峰、数值滤波、误差曲线轮廓提取工作，并采用直角坐标和极坐标显示齿轮副每一点的传动误差、回差和偏差趋势。对传感器数据进行同步采样，并进行处理和显示。

为了防止传输中的干扰，传感器的输出通过变送器，将模拟信号转换成数字信号，再经过串行口发送到上位计算机上。为了得到较快的测量速度，应将传感器的波特率设置到38400或更高。保证测量精度的关键技术之一是两个传感器的数据必须同步采集。由于串行口发送的传感器测量数据不是定长的，因此计算机即使读到了两个传感器发送过来的相同字节的数据，拼出来的数据个数也不一定相同。如果不实时处理，就不能保证输入和输出传感器的数据一一对应。从而带来很大的误差。为保证串行口得到的两个传感器的数据同步，设计了两个线程，每一个线程都有一个数据缓存区，并有一个同步计数器记录读取到的传感器的数据个数。线程每读到8个字节的数据处理一次，将结果转换成二进制数。系统在线程数据达到1-3个后处理数据，其过程是检查两个同步计数器的计数值，如发现计数值相同，则直接将数据移入传感器数据区。如果发现两个同步计数器的计数值不相同，则以最小的计数值读取数据，对于多出来的数据，有两个处理措施：1.设定阈值，如果单一数据跳变超过阈值则舍弃该数据；2.如果没有突变则舍弃相邻两个数据差最小的数据。在两个线程的数据相同后再移入传感器数据区。要求每次对线程数据处理的时间间隔小于10ms，这时线程中待处理的数据个数在3个以内，传感器的数据同步性比较好，没有积累误差，计算机也能及时响应和处理。

两组传感器的数据采集后还要采用消尖峰程序，对由于干扰造成的突跳点，根据前后点的变化趋势，予以消除。由于测量数据的分辨率较高，数据的微小波动会形成毛刺，为了保证精度，采用多次加权滤波平滑程序，使处理后的曲线轮廓线能够很好的反映齿轮副传动误差的变化趋势，在保证测量精度的同时，消除测量的毛刺和误差数据。

采用直角坐标显示传感器的输入/输出角度，齿轮副的传动误差。也可以采用极坐标显示齿轮副的传动误差。

利用光标的拖动方式显示齿轮副每一个测量点的传动误差。整个测量范围的最大误差，最大误差的所在的角度。

上位计算机程序自动控制伺服电机的转速、旋转的角度范围，这些参数是由传感器的数据发送速率、测量点的分辨率和齿轮副的速比由计算机程序自动确定的。

Claims

1、一种齿轮副传动精度测量装置，其特征在于：

其中转角输入部分包括：同步皮带轮(3)、连接同步皮带轮主动轮的伺服电机(2)、通过输入传感器联轴器(11)连接于同步皮带轮从动轮一端的输入角度传感器(1)，同步皮带轮从动轮的另一端通过输入端传感器同步轮轴(8)与需测量的齿轮副的主动轮相连；

其中转角输出测量部分依次包括：与需测量的齿轮副的从动轮相连的输出端传感器同步轮轴(19)、输出传感器联轴器(22)、输出端角度传感器(15)。

2、根据权利要求1所述的齿轮副传动精度测量装置，其特征在于：转角输入部分安装于转角输入平台，转角输出测量部安装于转角输出测量平台，转角输入平台和转角输出测量平台均安装有水平装置。

3、根据权利要求1所述的齿轮副传动精度测量装置，其特征在于：所述的伺服电机(2)、输入角度传感器(1)、输出角度传感器(15)均设置有电磁屏蔽罩。

4、利用权利要求1所述齿轮副传动精度测量装置测量齿轮副传动精度的方法，其特征在于：

(a)、计算机根据齿轮副的速比控制伺服电机(2)转动的角度和速度，同步采集输入角度传感器(1)与输出角度传感器(15)两个传感器数据；

5、根据权利要求4所述的齿轮副传动精度测量方法，其特征在于：

第(a)步骤中所述两个传感器数据同步采集是按如下方式实现的：感器的输出采用串行口发送，为保证串行口得到的两个传感器的数据同步，为每一个串行口设计数据采集处理线程，每一个线程中采用一个同步计数器记录获得的传感器数据并暂存在缓存区中；系统在处理数据时检查两个同步计数器的计数值，如果发现两个同步计数器的计数值不相同，则以最小的计数值读取数据，对多余的数据，剔出偏差过小或者过大的，直至两个数据区缓存区保留相同数据量的数据后将它们移入最终结果数据区。